履帶式越障機器人系統(tǒng)設計

王 梟，王超星，劉淑晶

(1.北京市大興區(qū)第一中學，北京 102600；2.三河市職教中心，河北 三河 065200；3.北京石油化工學院 機械工程學院，北京 102617)

隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，機器人除了廣泛應用于工業(yè)制造領域外，還應用于資源勘探、搶險救災、醫(yī)療服務、軍事和巡檢等其他領域。巡檢機器人作為一種特種設備，可以代替人工在復雜的作業(yè)環(huán)境下完成巡檢作業(yè)任務。目前，主流的巡檢機器人有履帶式、輪式和混合式等，其中以履帶式為主[1]。從20世紀80年代起，國外就對小型履帶式機器人展開了系統(tǒng)性研究，比較有影響的是美國的PackBot[2]機器人，URBOT、NUGV和TALON[3]機器人，其中，TALON系列機器人是一種傳統(tǒng)的小型雙履帶式機器人，該機器人可根據(jù)任務的不同安裝不同的任務模塊，主要應用于執(zhí)行偵察、危險品操作和救援等領域。此外，英國研制的Supper Wheelbarrow排爆機器人、加拿大布魯克大學研制的AZMUT機器人[4]、日本的Helios V機器人[5]都屬于履帶式機器人。日本東京工業(yè)大學的T.Kamegawa等提出了一種搜救機器人，該機器人由多節(jié)雙履帶式模塊車連接而成，能夠進入狹窄的空間，相鄰模塊之間由2個主動自由度關(guān)節(jié)連接或3個隨動自由度關(guān)節(jié)連接，所以該機器人結(jié)構(gòu)形式具有很好的地面適應能力和越障能力[6]。

我國對履帶式機器人的研究也取得了一定的成果，如沈陽自動化研究所研制的CLMBER機器人[7]、北京理工大學研制的四履腿機器人[8]以及北京航空航天大學研制的可重構(gòu)履腿機器人等。沈陽自動化研究所研制的可變形搜救機器人采用了三履帶式模塊化結(jié)構(gòu)，該機器人可根據(jù)不同地形環(huán)境進行變形，變形出直線形、并排形和三角形等多種形狀，具有較強的環(huán)境適應性[9-10]。中國礦業(yè)大學研制了我國第1臺CUMT—1型機器人，該機器人能夠檢測井內(nèi)的一氧化碳、瓦斯等有害氣體體積分數(shù)，可通過攝像裝置傳回井內(nèi)的實時圖像和聲音，了解生還者的健康狀況，并可攜帶救援物資幫助生還者進行逃生和自救。今后，搜救機器人的研究方向主要朝多種技術(shù)融合化和多智能體網(wǎng)絡化發(fā)展[11-12]。

本文通過對多種典型障礙物的物理特性進行分析，設計一款越障能力突出的履帶式越障機器人(下述簡稱越障機器人)。首先，制定了越障機器人的整體系統(tǒng)方案，并搭建了越障機器人機械本體結(jié)構(gòu)；其次，基于BASRA主控板搭建越障機器人控制系統(tǒng)，并編寫控制系統(tǒng)程序；最后，進行了越障性能試驗。

1 越障機器人系統(tǒng)方案設計

常見的障礙物包括柵格地形、減速帶、小型階梯、石塊地形、U型隧道，凹形隧道，防滑帶、柔軟草地、大樓梯、窄橋和高臺等。對于機器人而言，越障難度最高的是臺階式障礙物，因此本文以150 mm高度的3層臺階等垂直障礙為越障目標，對越障機器人進行設計及分析。

越障機器人基于BASRA主控板及BigFish擴展版控制算法進行相應路線運行，利用灰度傳感器對黑色路線的檢測進行循跡。越障機器人前端分布3個傳感器，在前進過程中分別根據(jù)傳感器采集的不同信息，對其姿態(tài)進行實時調(diào)整；同時，其前端有舵機及碰撞傳感器，當遇到障礙時，觸發(fā)碰撞傳感器，通過控制舵機來實現(xiàn)越障機器人的越障。

越障機器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要分為主控系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和供電系統(tǒng)等6個部分。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 越障機器人機械本體設計

從設計角度的簡便性、穩(wěn)定性及可靠性出發(fā)，結(jié)合功能要求，完成履帶式越障機器人的結(jié)構(gòu)設計，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。越障機器人的外形尺寸為290 mm×172 mm×135 mm(長×寬×高)，履帶輪中心距為150 mm。

圖2 越障機器人結(jié)構(gòu)簡圖

2.1 機械結(jié)構(gòu)

越障機器人的機械結(jié)構(gòu)主要包括越障機構(gòu)和行走機構(gòu)。

越障機構(gòu)主要由舵機、連桿、小輪及橡膠圈組成(見圖3)。當障礙觸發(fā)碰撞傳感器時，電平信號使舵機旋轉(zhuǎn)一定角度，并在程序中調(diào)整合適的延時時間，使小輪支承起越障機器人前端，當越過障礙時，舵機向回旋轉(zhuǎn)一定角度，放平越障機器人，此時越障機器人繼續(xù)向前運動。越障時，為防止小輪被障礙卡住，在小輪與連接軸間添加了套筒，在翻越障礙時，小輪可以圓滑轉(zhuǎn)動；同時，為了增加小輪與障礙接觸面的摩擦力，在小輪圓周添加了橡膠圈。

圖3 越障機構(gòu)

行走機構(gòu)為履帶式傳動機構(gòu)(見圖4)。這種行走機構(gòu)的優(yōu)點是與地面接觸面積大，對地形的適應性強。越障機器人采用雙履帶，分別分布在機器人的兩側(cè)，其中履帶行走機構(gòu)的后履帶輪為驅(qū)動輪，為越障機器人的行走和越障提供動力。

圖4 履帶傳動機構(gòu)

2.2 整體布局

圖5 越障機器人整體布局圖

越障機器人采用2個直流電動機和1個舵機作為驅(qū)動電動機，采用3個灰度傳感器及1個碰撞傳感器。其整體布局如圖5所示。圖5中，①、②和③為灰度傳感器，可以檢測到黑線，并根據(jù)傳感器檢測到黑線的不同位置，實時調(diào)整機器人位姿進行巡線；④為碰撞傳感器，當遇到障礙時，觸發(fā)碰撞傳感器，此時舵機開始工作，實施越障；⑤和⑥為2個直流電動機，分別安裝在越障機器人后側(cè)；⑦為舵機，安裝在越障機器人前，并通過連接臂完成越障。電動機連接輪胎處安裝履帶，利用履帶越障能力和地形適應能力強的特點，來完成各種地形的行駛。

3 越障機器人越障過程分析

越障機器人越障過程模型可以簡化為二維平面模型(見圖6)。

圖6 越障機器人越障過程

整個越障過程可以分為如下2個階段。

1)懸架連桿擺動，越障輪接觸障礙物。當越障機器人向前行駛，傳感器檢測到障礙物后，電動機驅(qū)動懸架連桿順時針擺動，連桿帶動越障輪向下運動，使越障輪與障礙物表面接觸(見圖6a)。障礙物對越障輪有垂直于障礙物表面向上的作用力，促使越障機器人車頭向上運動(見圖6b)。

2)履帶爬越階段。越障機器人在電動機的驅(qū)動下繼續(xù)向前行駛，履帶前端與障礙物接觸(見圖6c)。越障機器人履帶與障礙物表面產(chǎn)生平行履帶向前的摩擦力，越障機器人繼續(xù)向前行駛，履帶逐漸越過障礙物(見圖6d)。隨著越障機器人向前行駛，當其中心越過障礙物后，越障機器人會在重力的驅(qū)動下順時針旋轉(zhuǎn)，越障輪和履帶后端與地面接觸(見圖6e)。若越障機器人在向前行駛的過程中再一次檢測到障礙物，那么將重復越障動作，否則，懸架連桿和越障輪在電動機的驅(qū)動下恢復原有姿態(tài)，向前行駛完成越障(見圖6f)。

4 越障機器人控制系統(tǒng)設計

4.1 越障機器人控制系統(tǒng)電路原理圖

越障機器人控制系統(tǒng)中硬件系統(tǒng)以BASRA作為主控制器，采用BifFish擴展板連接各灰度傳感器、碰撞傳感器以及驅(qū)動電動機。BASRA是一款基于Arduino開源方案設計的一款開發(fā)板，其處理器核心是ATmega328，可以同時控制多路輸入/輸出信號。BifFish擴展板擴展了伺服電動機連接口、直流電動機連接口以及一個通用擴展接口等。通過USB數(shù)據(jù)總線可以實現(xiàn)PC機與BASRA主控板之間的數(shù)據(jù)交換。越障機器人的電路原理圖如圖7所示。

圖7 越障機器人電路原理圖

4.2 越障機器人軟件編程

控制系統(tǒng)軟件是基于Arduino開源項目開發(fā)的，Arduino編程語言基于C/C++的混合編程，開發(fā)環(huán)境基于Wring和Processing架構(gòu)，其中Wring是用于微控制器的一種開源編程架構(gòu)，可以讓用戶編寫跨平臺的程序，這些代碼無需修改就可以在不同的微控制器和電路板上運行，使得程序具有很高的可移植性。軟件部分采用模塊化的設計思想，主要是通過主程序調(diào)用各個模塊的子程序來控制機器人的整體運作，每個子程序設計一個模塊的動作。

軟件部分包含循跡模塊、轉(zhuǎn)彎模塊、延時模塊、停止模塊、越障模塊以及算法部分等。其中，循跡模塊貫穿了程序的始終，循跡模塊是越障機器人準確而穩(wěn)定地完成越障的保障，做到越障機器人不盲走、不走偏，且實時糾正；轉(zhuǎn)彎模塊包含左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，通過兩側(cè)輪子的差速運動實現(xiàn)糾偏；越障模塊是通過舵機來實現(xiàn)越障機器人的越障。

越障機器人越障流程圖如圖8所示。

圖8 越障機器人越障流程圖

5 越障性能試驗

越障機器人越障性能試驗選擇高度為150 mm的3層臺階作為障礙物，以0.5 m/s的速度進行10次越障性能試驗(見圖9)。試驗結(jié)果見表1。

圖9 越障機器人越障性能試驗

試驗次數(shù)現(xiàn)象時間/s越障機器人最大俯仰角/(°)1順利通過10.1130.282順利通過10.3030.153順利通過9.830.334最后臺階機器人側(cè)翻15.7960.595順利通過11.2129.746順利通過10.533.337順利通過10.3333.578機器人偏離運動軌跡12.528.989順利通過11.5428.1210順利通過10.8829.86

試驗結(jié)果表明，越障機器人能夠順利通過150 mm高度的3層臺階，完成時間約為11.3 s。說明所設計的越障機器人具有較強的越障能力。

6 結(jié)語

本文通過對障礙物進行分析，確定了越障機器人的系統(tǒng)整體設計方案；利用組件設計搭建了越障機器人機械本體，并進行了越障機器人越障過程分析；基于BASRA主控板及Bigfish擴展板，完成對越障機器人的控制系統(tǒng)硬件電路設計，采用模塊化的思想編寫了越障機器人控制系統(tǒng)軟件。越障試驗結(jié)果表明，所設計的越障機器人能夠完成150 mm高度的3層臺階障礙，越障能力較強。